Введение к работе
Актуальность темы
Одно из направлений дальнейшего совершенствования информационно-измерительных систем связано с использованием волоконных световодов в качестве физической среды передачи измерительной информации. При этом обеспечивается целый ряд новых качеств по сравнению с системами на основе электрических кабелей, основными из которых следует считать высокую информационно-пропускную способность, широкополосность и помехозащищенность. При построении волоконно-оптических средств передачи информационно-измерительных систем часто возникают задачи разделения и объединения потоков оптического излучения, передаваемого по оптическому волокну. Для реализации данной функции необходимы специальные волоконно-оптические устройства - оптические разветвители/объединители (далее разветвители). В зависимости от назначения системы требуются различные типы разветвителей, отличающиеся числом входных и выходных оптических полюсов (каналов), типом используемого оптического волокна, требованиями к условиям эксплуатации. Среди используемых разновидностей волоконно-оптических средств передачи значительная их часть строится на основе многомодового оптического волокна с применением разветвителей с матрицей передачи 1>
Одна из проблем - создание надежных разветвителей, устойчивых к внешним воздействующим факторам, характерным для условий работы аппаратуры в составе информационно-измерительных систем подвижных объектов: наземных транспортных средств, аэрокосмических аппаратов, морских надводных и подводных кораблей. В соответствии с действующими стандартами, такие устройства, в зависимости от группы исполнения, должны выдерживать воздействие механических ударов многократного действия с ускорением до 150g, вибрации в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц с виброускорением до 40g в диапазоне рабочих температур от минус 60С ДО +85С.
Стабильность характеристик разветвителей в условиях эксплуатации в значительной степени зависит от способа формирования их световодной структуры. Выпускаемые рядом ведущих зарубежных фирм (AMP, FOCI, Global Opticom и др.) оптические разветвители, в основном предназначенные для систем телекоммуникаций, изготавливаются путем сплавления и биконической перетяжки пучка оптических волокон. При этом биконический участок в зоне сплавления должен находиться в среде с показателем преломления меньшим, чем у кварцевой светоотражающей оболочки. Для многомодовых разветвителей такой средой является, как правило, воздух и такая незащищенная волоконная структура может подвергаться деградации в процессе внешних механических воздействий: вибраций и ударов.
Одним из путей решения данной проблемы является формирование участка оптической связи между волокнами в разветвителе в виде монолитного световодного
элемента, выполняющего функцию световодного сіфлоСРМДЦМЧНИЬЯИ1 Тура имеет
І&ЛНОТЕКЛ
повышенную механическую прочность и может быть полностью защищена от воздействия внешних факторов. Форма световедущей области такой структуры в значительной степени определяет оптические характеристики разветвителя. Достаточно малые вносимые потери можно получить при использовании в качестве смесительного элемента слоевых световодов планарной или кольцевой геометрии с толщиной световедущего слоя приблизительно равной диаметру сердцевины соединяемых с ними оптических волокон. При создании многомодовых разветвителей 1x2 и 2x2 перспективными являются планарные структуры на основе канальных оптических волноводов.
Проблемам разработки оптических разветвителей для информационных систем
посвящен большой объем исследований и публикаций. Теоретические основы создания
оптических разветвителей опираются на фундаментальные работы в области
волоконной и интегральной оптики А.М.Прохорова, А.С.Беланова, Ю.В.Гуляева,
Е.М.Дианова, МАдамса, А.Снайдера, Г.Унгера и др. Теория световодных структур, в
том числе слоевых световодов, рассматривалась в работах В.Б.Вейнберга,
Л.М.Кучикяна, Д.К.Саттарова. Вопросы создания многомодовых оптических
разветвителей рассматривали в своих работах K.Imoto, K.Kaede, K.Nose, M.Stockmann,
J.Williams и др. Однако, актуальными остаются научно-технические задачи
прикладного характера, связанные с разработкой технологии изготовления разветвителей на основе планарных и кольцевых световодных структур. В частности, требуют решения задачи по разработке эффективных методов формирования световодных слоев планарной и кольцевой геометрии, а также канальных оптических волноводов с толщиной 50-200 мкм, в многокомпонентных и кварцевых стеклах, что необходимо для эффективного согласования световодных элементов разветвителей с промышленными типами многомодовых волокон.
Перечисленные обстоятельства определяют актуальность диссертационной работы, направленной на разработку и исследование технологических процессов изготовления оптических разветвителей на основе планарных и кольцевых световодных структур для применения в информационно-измерительных системах.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка технологии и оборудования для изготовления оптических разветвителей с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе планарных и кольцевых световодных структур для использования в волоконно-оптических информационно-измерительных системах. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: - математическое моделирование оптических разветвителей на основе планарных и кольцевых световодных структур для определения оптимальных геометрических и оптических характеристик световодных слоев, а также требований к точности совмещения световодных элементов в процессе изготовления разветвителей;
-разработка методов формирования в многокомпонентных и кварцевых стеклах световодных слоев и канальных оптических волноводов с толщиной от 50 до 200 мкм на основе спекания пластин из многокомпонентных оптических стекол, парофазного химического и СВЧ-плазмохимического осаждения;
-исследование влияния конструктивных и технологических факторов на оптические характеристики планарных и кольцевых световодных структур и разветвителей на их основе;
-разработка, изготовление и проведение испытаний на воздействие внешних факторов разветвителей, созданных на основе планарных и кольцевых световодных структур;
-применение разработанных разветвителей в волоконно-оптических информационно-измерительных системах.
Научная новизна
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания многоканальных оптических разветвителей с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе планарных и кольцевых световодных структур.
Разработан метод получения планарных световодов на основе спекания пластин из многокомпонентных оптических стекол.
Впервые предложен метод получения многомодовых канальных оптических волноводов и разветвителей на их основе путем вплавления волоконных элементов в пластины из многокомпонентных оптических стекол.
Экспериментально подтверждена возможность формирования планарных и кольцевых световодных структур разветвителей на основе кварцевого стекла методами модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) и СВЧ-плазмохимического осаждения кварцевого стекла
Исследованы оптические характеристики планарных и кольцевых световодных структур многополюсных разветвителей.
Разработана математическая модель для расчета распределения интенсивности оптического излучения на выходном торце планарных и кольцевых световодов, определены их оптимальные геометрические характеристики в конструкциях оптических разветвителей. Установлено, что оптимальная толщина световодного слоя составляет 70-90% от диаметра сердцевины волокна и зависит от характера распределения интенсивности оптического излучения и профиля показателя преломления в поперечном сечении сердцевины волоконного световода.
Установлено влияние оптической неоднородности световедущих слоев и погрешности совмещения световодных элементов при сборке разветвителей на статистические параметры распределения значений элементов матрицы передачи многоканальных разветвителей.
8. Проведены теоретические и экспериментальные оценки собственных резонансных частот механических колебаний световодных структур разветвителеи на основе планарных, кольцевых и волоконных биконических структур.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных оптико-физических и химико-технологических методов исследования, применением метрологически аттестованной аппаратуры и приборов, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.
На защиту выносятся:
Конструктивно-технологические решения по формированию планарных и кольцевых световодных структур оптических разветвителеи для волоконно-оптических информационно-измерительных систем.
Результаты экспериментальных исследований оптических характеристик планарных и кольцевых световодных структур, полученных методами спекания пластин из многокомпонентных оптических стекол, СВЧ-плазмохимического осаждения и модифицированного химического парофазного осаждения кварцевого стекла.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических факторов на характеристики оптических разветвителеи.
Результаты испытаний оптических разветвителеи, изготовленных с применением планарных и кольцевых световодных структур.
Практическая ценность работы
Разработана технология получения планарных световодных структур на основе промышленных марок оптических стекол.
Разработана технология получения планарных и кольцевых световодных структур на основе кварцевого стекла.
Разработаны и внедрены технологические процессы изготовления многоканальных разветвителеи на основе планарных и кольцевых световодных структур (ФТЯИ.6018800341, ФТЯИ.6018800349, ФТЯИ.25255.00011).
Разработаны конструкции и изготовлены макетные и опытные образцы оптических разветвителеи на основе планарных и кольцевых световодных структур. Разработаны и введены в действие с 01.01.2004 г. технические условия ТУ6665-006-41085936-03 "Разветвители оптические".
Разработаны и внедрены методика и стенд для автоматизированного технологического контроля многополюсных разветвителеи.
Разработаны, изготовлены и применяются в составе внедренных технологических процессов специальное технологическое оборудование и технологическая оснастка, используемые при создании разветвителеи на основе планарных и кольцевых световодных структур.
Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" в соответствии с программой создания унифицированной компонентной базы для внутриобъектовых волоконно-оптических локальных информационных сетей подвижных объектов ВВТ по ОКР "Разработка многополюсных пассивных оптических разветвителей" (шифр "Огнеметание-2", работа завершена в 2002 г.); в соответствии с постановлением Правительства РФ №125-10 от 21.02.2002 г. по ОКР "Разработка интегрально-оптических разветвителей, переключателей и обратимых мультиплексоров для систем передачи и сбора информации" (шифр "Интеграл-оптика"); в соответствии с федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" на 2002-2006 г.г. по НИР "Исследование и разработка унифицированных технологий для автоматизированного изготовления оптических элементов информационных систем" (шифр "Автоинтопт").
Внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы используются в следующих организациях:
Федеральный научно-производственный центр "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" - использование технологических процессов формирования планарных и кольцевых световодных структур при изготовлении оптических разветвителей типов 8x8 и 16x16 для информационно-измерительных систем перспективных многоцелевых самолетов на базе волоконно-оптических линий связи.
Институт проблем механики РАН РФ - использование технологии формирования планарных световодных структур оптических разветвителей при изготовлении лазерных датчиков деформации.
ОАО "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" - внедрен технологический процесс изготовления интегрально-оптических разветвителей с планарной световодной структурой, разработанный по договору с войсковой частью № 34416 (ОКР "Интеграл-оптика").
ЗАО "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш-ВОС" - внедрены технологический процесс для изготовления многополюсных разветвителей на основе кольцевых световодных структур и стенд технологического контроля параметров разветвителей, разработанные по договору с войсковой частью №25580 (ОКР "Огнеметание-2").
ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности" - применение технологических процессов изготовления планарных конструкций разветвителей для создания волоконно-оптических линий передачи информации систем управления и наведения.
ЗАО "САХ и Ко" - применение технологии формирования планарных волоконно-оптических узлов при изготовлении датчиков веса с повышенной стойкостью к температурным и механическим ударным нагрузкам.
7. Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет) - создание комплекса стендов для лабораторных работ и учебно-методических разработок на основе использования теоретических и экспериментальных результатов по созданию оптических разветвителей с планарной световодной структурой.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические системы передачи", Москва (1988); Научно-технической конференции "Оптическая коммутация и оптические сети связи", Суздаль (1990); 2 и 3 Международных конференциях по волоконной оптике и связи (ISFOC), С.-Петербург (1992, 1993); 6-10 Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в промышленности России", Москва (2000-2004); 2 и 3 Всероссийских научных конференциях "Молекулярная физика неравновесных систем", Иваново (2000, 2001); XI Международной научно-технической конференции "Тонкие пленки в электронике" Йошкар-Ола (2000); 49-53 научно-технических конференциях МИРЭА, Москва (2000-2004); 12 Международном симпозиуме "Тонкие пленки в электронике", Харьков (2001), LVII и LVTX Научных сессиях, посвященных дню радио, Москва (2002, 2004); 1 и 2 Межрегиональных семинарах "Нанотехнологии и фотонные кристаллы", Йошкар-Ола (2003), Калуга (2004).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 37 печатных работ, в том числе, получены 4 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 132 наименований и приложений. Приложения включают 7 актов внедрения технологии для изготовления оптических разветвителей на основе планарных и кольцевых световодных структур, протоколы испытаний опытных образцов оптических разветвителей. Работа содержит 156 страниц основного текста, включающих 24 таблицы и 87 рисунков.
Личный вклад автора.
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку конструктивных решений и методик исследований, проведение теоретических расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
